producción de etanol

¿Qué es el etanol?

Eletanol (_C2H5OH; fórmula estructural _CH3CH2OH) es una molécula orgánica con el grupo funcional hidroxilo (-OH). Pertenece a la serie de los alcoholes homólogos. En concreto, el etanol es un alcohol primario con dos átomos de carbono, que contiene un solo grupo hidroxilo. Su estructura se muestra a continuación.

Fig. 1: Estructura del etanol, con su grupo hidroxilo resaltado.StudySmarter Originals

El etanol tiene muchos usos en nuestra vida cotidiana. No sólo lo encontramos en la gran variedad de bebidas alcohólicas disponibles en tiendas, bares y restaurantes, sino también en desinfectantes, disolventes y como aditivo para combustibles. Lo creas o no, ¡el etanol también se utiliza como antídoto contra la peligrosísima intoxicación por metanol! Por ello, es importante comprender la producción de etanol. Veamos ahora las dos formas principales de producción industrial del etanol.

Proceso de producción del etanol

Hay dos formas principales de producir etanol:

• La fermentación de la glucosa.
• La hidratación del eteno.

Los dos procesos tienen algunas diferencias clave en cuanto a sus reactantes, condiciones y subproductos. También tienen ventajas e inconvenientes. Empezaremos con una visión general de los dos métodos antes de compararlos con más detalle.

Producción de etanol: Fermentación de la glucosa

El etanol puede producirse mediante la fermentación de la glucosa. En este proceso, cepas específicas de levadura convierten la glucosa (_C6H12O6 ) de los hidratos de carbono vegetales en etanol dentro de un fermentador con unas condiciones ambientales establecidas. La mayoría de las bebidas alcohólicas elaboradas en fábricas de cerveza se someten a este proceso de fermentación.

Proceso de fermentación

Los hidratos de carbono vegetales, los materiales de partida en la producción de etanol, suelen proceder de cultivos como la caña de azúcar o la remolacha azucarera. La levadura, que puede ser una especie como Saccharomyces cerevisiae, contiene enzimas responsables de convertir la glucosa de los hidratos de carbono vegetales en etanol mediante respiración anaeróbica. La reacción también produce dióxido de carbono (_CO2).

El etanol es tóxico para la levadura en concentraciones elevadas. En consecuencia, la levadura muere cuando la solución alcanza niveles de aproximadamente un 15% de etanol. Esto significa que la producción de etanol por fermentación es un proceso por lotes. Gracias al punto de ebullición del etanol, que es inferior al del agua, el etanol puede separarse del resto de la solución mediantedestilación fraccionada . También debes tener en cuenta que la fermentación tiene una velocidad de reacción lenta, sobre todo si la comparamos con la hidratación del eteno (que veremos dentro de un segundo).

Ecuación verbal de la fermentación

A continuación se muestra la ecuación química de la fermentación, junto con la ecuación verbal.

$$C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow 2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}$$

$$Glucosa + etanol + dióxido de carbono$$

Materiales de partida y subproductos de la fermentación

Hemos mencionado que la fermentación requiere carbohidratos vegetales. Éstos suelen proceder de cultivos como la remolacha azucarera o el maíz. Los cultivos son rápidos y fáciles de cultivar, y a menudo sólo se utiliza en la fermentación la parte desechada de la planta (como el tallo o la cáscara), dejando la parte comestible para el consumo humano o animal.

Puedes ver en la ecuación química que la fermentación libera dióxido de carbono (_CO2), un gas de efecto invernadero. Esto puede parecer perjudicial desde el punto de vista medioambiental. Sin embargo, la fermentación en sí es técnicamente neutra en carbono: todo el carbono liberado se absorbió mediante fotosíntesis durante la vida del cultivo, y apoyaremos esta afirmación con ecuaciones químicas más adelante en el artículo.

La fermentación no descompone toda la materia vegetal, por lo que nos queda un subproducto residual. La materia sobrante constituye un alimento más que adecuado para el ganado.

Condiciones de fermentación

Una fermentación eficaz requiere ciertas condiciones. A continuación te las explicamos.

Producción de etanol: Hidratación del eteno

Ahora que hemos terminado de ver la química de la fermentación, veamos cómo podemos producir etanol mediante la hidratación del eteno. Éste es otro método de producción de alcohol utilizado en la industria.

Proceso de hidratación

El término hidratación te da una pista sobre esta forma de producir etanol. Si te imaginas una reacción en la que interviene el agua, ¡estás en el buen camino!

La hidratación es un ejemplo de reacción de adición electrofílica. Básicamente, consiste en añadir vapor al eteno en presencia de un catalizador de ácido fosfórico (V), con lo que se obtiene etanol. El eteno (_CH2CH2) es el alqueno más simple, un hidrocarburo insaturado con un doble enlace C=C. La adición de vapor al eteno convierte este alqueno en una molécula saturada y añade el grupo hidroxilo (-OH ) a uno de sus átomos de carbono. La reacción es reversible, pero podemos alterar las condiciones para aumentar considerablemente el rendimiento.

Fig. 2: Del eteno al etanol. Ambas moléculas se muestran con sus grupos funcionales resaltados.StudySmarter Originals

Separamos el etanol de los gases que no han reaccionado enfriando la mezcla. Aunque también se condensa una pequeña cantidad de vapor, el etanol recogido es esencialmente puro. La destilación fraccionada se encarga de las impurezas del vapor. Los gases que no han reaccionado se reciclan continuamente sobre el catalizador para conseguir un índice de conversión global de alrededor del 95%. También debes tener en cuenta que este proceso tiene una velocidad de reacción rápida.

Ecuación de hidratación

He aquí la ecuación química para la hidratación del eteno:

$$C_{2}H_{4(g)} + H_{2}O_(g)} \rightleftharpoons C_{2}H_{5}OH_{(g)} $$ ΔHº = -45 kJ ^mol-1

Observa el uso de la flecha de equilibrio(⇌). Nos indica que esta reacción es reversible y existe en un estado de equilibrio dinámico.

Materiales de partida y subproductos de la hidratación

La ecuación química anterior nos dice que la hidratación no produce ningún subproducto. Esto puede hacer que parezca un proceso respetuoso con el medio ambiente, pero debemos tener en cuenta el panorama general. La hidratación requiere eteno, que se produce mediante el craqueo de hidrocarburos que se encuentran en el petróleo crudo. El petróleo crudo no es renovable: es un recurso finito, lo que significa que no puede sustituirse de forma natural al ritmo al que lo utilizamos. Por tanto, producir etanol hidratando eteno no es sostenible.

Condiciones de hidratación

Como la hidratación del eteno es reversible, las condiciones de la reacción son vitales a la hora de determinar el rendimiento. En la tabla siguiente se resumen las condiciones utilizadas en la hidratación del eteno y el razonamiento en que se basan.

Comparación de los métodos de producción de etanol

Decidir cuál es la mejor forma de producir etanol no es tarea fácil. Ambos métodos presentan ventajas e inconvenientes que hay que tener en cuenta. La tabla siguiente resume las diferencias entre la producción de etanol mediante la fermentación de la glucosa y la hidratación del eteno.

A pesar de que la hidratación mejora la pureza del producto y acelera la velocidad de reacción, la fermentación se utiliza más ampliamente para la producción de etanol. Esto se debe a sus menores costes e impacto medioambiental.

Producción de etanol: Utilización del etanol como biocombustible

En los últimos 50 años aproximadamente, el etanol se ha establecido como una alternativa práctica a la gasolina o el gasóleo. Se quema como cualquier otro combustible y es una forma útil de propulsar nuestros vehículos. Por ejemplo, la gasolina E10 (que contiene hasta un 10% de etanol) es el combustible estándar en el Reino Unido, mientras que en Francia puedes encontrar gasolineras E85. Brasil posee incluso una amplia flota de vehículos que funcionan ¡con etanol al 100%!

El etanol así utilizado se produce mediante fermentación, por lo que es un tipo de biocombustible.

Como todos los biocombustibles, el llamado bioetanol procede de recursos renovables. En cambio, la gasolina y el gasóleo proceden del petróleo crudo, que ya hemos aprendido que no es renovable. Otras fuentes de combustible populares, como el carbón y el gas, tampoco son renovables: son tipos de combustibles fósiles. La renovabilidad de los biocombustibles les da una ventaja sobre el carbón, el gas, el gasóleo y la gasolina, y es en parte la razón por la que su popularidad está aumentando tan rápidamente.

Sin embargo, el uso de biocombustibles, incluido el bioetanol, tiene aspectos negativos. A continuación analizaremos tanto las ventajas como los inconvenientes de su uso.

Ventajas de los biocombustibles

Los biocombustiblesconsiguen superar a los combustibles fósiles tradicionales o derivados del crudo en muchos aspectos. He aquí algunas:

• Los biocombustibles son renovables. Se fabrican a partir de materia vegetal o animal de crecimiento rápido, a menudo de cultivos que pueden plantarse y cosecharse en menos de un año. Se pueden volver a plantar en la misma zona en los años siguientes. En cambio, el petróleo crudo y los combustibles fósiles tardan milenios en formarse, por lo que no son renovables.
• Los biocombustibles tienen una huella de carbono menor que los combustibles tradicionales. Todos los combustibles basados en el carbono (incluidos los biocombustibles) liberan dióxido de carbono (_CO2 ) al quemarse. Sin embargo, los biocombustibles son teóricamente neutros en carbono porque todo el carbono que liberan fue absorbido de la atmósfera durante la vida de la planta original.
• Los biocombustibles son baratos, fáciles de procesar y pueden fabricarse localmente. Para obtener biocombustibles no es necesario perforar minas marinas profundas ni talar bosques para acceder a yacimientos de carbón.
• Los biocombustibles pueden fabricarse a partir de materiales de desecho, como tallos o cáscaras de cultivos, que de otro modo se desecharían.
• Los biocombustibles liberan menos contaminantes nocivos adicionales, como el dióxido de azufre y los óxidos nitrosos, que se asocian a la combustión de los combustibles tradicionales.

Desventajas de los biocombustibles

Para tus exámenes, se podría esperar que argumentaras tanto a favor como en contra del uso de biocombustibles. Como mínimo, es importante que entiendas por qué a algunas personas no les convence su uso. He aquí algunos de los inconvenientes de los biocombustibles.

• Aunque los biocombustibles son neutros en carbono por sí mismos, necesitan energía para cosecharse, procesarse y transportarse. Esta energía suele proceder de fuentes no renovables y, por tanto, libera dióxido de carbono a la atmósfera. Sin embargo, lo mismo podría decirse de los combustibles tradicionales: también requieren un procesamiento, manipulación y transporte específicos.
• El cultivo de la materia vegetal utilizada para producir biocombustibles necesita un gran aporte de agua.
• El cultivo de materia vegetal para biocombustibles también ocupa mucha tierra. Se argumenta que esta tierra podría utilizarse de forma más eficiente para cultivos destinados al consumo humano o animal, y que la creación de espacio para las plantaciones de biocombustibles es una causa de deforestación y pérdida de hábitats.
• Los incentivos gubernamentales para producir biocombustibles han provocado una disminución de la agricultura en determinados países, lo que ha provocado escasez de alimentos y una subida de las facturas de los comestibles.